[論文レビュー] LnPd$_{2}$Sn (Ln=Sc, Y, Lu) class of Heusler alloys for topological superconductivity

Peng‐Jie Guo, Jianfeng Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2018

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、Lnpd2sn (Ln=Sc, Y, Lu) ヒュースラー合金が、フェルミ準位を crosses する非自明な表面状態とバルク超伝導性を示すことから、ドーピングや人工的ヘテロ構造を必要としない内在的トポロジカル超伝導体であると提唱している。第一原理計算と対称性解析を用いて、これらの表面における近接効果による超伝導性が、マヨラナゼロモードを実現可能であることを示しており、複雑なヘテロ構造やドーピングを必要としないトポロジカル量子計算のための有望なプラットフォームである。

ABSTRACT

Based on the first-principles electronic structure calculations and the symmetry analysis, we predict that the topological superconductivity may occur on the surface of the LnPd$_{2}$Sn (Ln=Sc, Y, Lu) class of Heusler alloys. The calculated electronic band structure and topological invariant demonstrate that the LnPd$_{2}$Sn family is topologically nontrivial. The further slab calculations show that the nontrivial topological surface states of LnPd$_{2}$Sn exist within the bulk band gap and meanwhile they cross the Fermi level. Considering that the LnPd$_{2}$Sn class of compounds were all found experimentally to be superconducting at low temperature, the surface topological superconductivity is likely to be generated via the proximity effect. Thus the LnPd$_{2}$Sn class of compounds shall be a promising platform for exploring novel topological superconductivity and handling Majorana zero modes.

研究の動機と目的

• ドーピングや人工的ヘテロ構造を必要とせず、トポロジカル超伝導性を示す内在的単一化合物材料を同定すること。
• トポロジカル絶縁体/超伝導体ヘテロ構造で一般的に見られる不純物や界面効果を回避することで、頑健なマヨラナゼロモードを実現する挑戦に応えること。
• LnPd₂Sn (Ln=Sc, Y, Lu) が、内在的トポロジカル超伝導性の4つの基準をすべて満たすことを示すこと：曲がったフェルミ表面におけるトポロジカル絶縁体的挙動、s波超伝導性、分離された非自明な表面状態、フェルミ準位を crosses する表面状態。
• これらの材料が、トポロジカル超伝導性およびマヨラナゼロモードの実験的探索のための実用的プラットフォームとして確立されること。

提案手法

• VASPパッケージを用いたプロジェクター・アウトライン波（PAW）法に基づく第一原理電子状態計算を採用した。
• 交換相関関数として一般化勾配近似（GGA-PBE）を適用し、計算にスピン軌道相互作用（SOC）を含めた。
• 力が 0.01 eV/Å 未満となるよう完全な構造最適化を実施し、平衡格子定数および原子位置を取得した。
• ブリユアンゾーンのサンプリングに 10×10×10 の k ポイントメッシュを用い、フェルミ表面の解像度を高めるためにガウススメアリング（0.05 eV）を適用した。
• 20 Å の真空層を含む 58原子スラブを用いて (001) 表面を模擬し、トポロジカル表面状態を分析した。
• トポロジカル不変量を計算し、投影されたバルクバンド構造と表面状態分散を用いて対称性保護された表面状態を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LnPd₂Sn (Ln=Sc, Y, Lu) ヒュースラー合金は、フェルミ準位を crosses する非自明なトポロジカル表面状態を有し、バルク状態から分離されているか？
• RQ2 これらの化合物は低温で内在的 s 波超伝導性を示し、近接効果によるトポロジカル超伝導性を実現可能か？
• RQ3 立方晶対称性のおかげで、(100)、(010)、(001) 表面すべてが同等の非自明なトポロジカル表面状態を有し、多方向からのARPESによる観測が可能か？
• RQ4 これらの材料は、ドーピングされたトポロジカル絶縁体や TI/SC ヘテロ構造の代替として、マヨラナゼロモードを実現するための実用的代替となるか？
• RQ5 フェルミ準位付近の高い状態密度が、これらの系における超伝導性の促進に果たす役割は何か？

主な発見

• LnPd₂Sn (Ln=Sc, Y, Lu) 家族は、時間反転対称性によって保護される非自明なトポロジカル表面状態を示し、フェルミ準位を crosses する。
• スラブ計算および表面状態マッピングにより、これらの表面状態がバルク状態から分離されており、バルクバンド構造に融合していないことが確認された。
• ScPd₂Sn、YPd₂Sn、LuPd₂Sn の3つの化合物とも、実験的に超伝導性が確認されており、それぞれ臨界温度 Tc は 2.25 K、4.9 K、3.05 K である。
• フェルミ準位付近の大きな状態密度は、Lu、Pd、Sn 原子が等しく寄与しており、超伝導ペアリングを強化し、近接効果によるトポロジカル超伝導性を支える。
• 立方晶対称性のおかげで、(100)、(010)、(001) 表面すべてが同等の非自明なトポロジカル表面状態を有しており、ARPESによる多方向からの実験的プローブが可能である。
• ヘテロ構造の不純物や界面の複雑さを回避しており、近接効果によるマヨラナゼロモードの実現に頑健なプラットフォームを提供している。